Небулий: история гипотетического элемента в туманностях

Введение

Небулиум — предполагаемый элемент, обнаруженный в астрономических наблюдениях туманности Уильямом Хэггинсом в 1864 году. Интенсивные зеленые эмиссионные линии в туманности Кошачий глаз, выявленные с помощью спектроскопии, привели к предположению о существовании неизвестного элемента, ответственного за это излучение. В 1927 году Айра Спраг Боуэн показал, что эти линии испускаются дважды ионизированным кислородом (O2+), и для их объяснения не требовалось введения нового элемента.

История

Уильям Хайд Волластон в 1802 году и Джозеф фон Фраунгофер в 1814 году описали темные линии в солнечном спектре. Позже Густав Кирхгоф объяснил эти линии атомным поглощением или излучением, что позволило использовать их для идентификации химических элементов. В первые дни телескопической астрономии термин «туманность» использовался для описания любого размытого светлого пятна, не похожего на звезду. Многие из них, такие как туманность Андромеды, имели спектры, подобные звездным, и оказались галактиками. Другие, например, туманность Кошачий глаз, имели совершенно иные спектры. Когда Уильям Хэггинс исследовал Кошачий глаз, он не обнаружил непрерывного спектра, как на Солнце, а лишь несколько сильных линий излучения. Две зеленые линии на длинах волн 495,9 и 500,7 нм были самыми яркими. Эти линии не соответствовали ни одному известному элементу на Земле. Тот факт, что гелий был идентифицирован по линиям излучения в солнечном спектре в 1868 году, а затем обнаружен на Земле в 1895 году, побудил астрономов предположить, что эти линии принадлежат новому элементу. Название «небулий» (иногда «небулум» или «нефелий») впервые упомянула Маргарет Линдси Хэггинс в кратком сообщении в 1898 году, хотя утверждается, что ее муж иногда использовал этот термин и ранее. В 1911 году Джон Уильям Николсон предположил, что все известные элементы состоят из четырех протоэлементов, одним из которых был Небулий. Разработка периодической таблицы Дмитрием Менделеевым и определение атомных номеров Генри Мозли в 1913 году практически не оставили места для нового элемента. В 1914 году французские астрономы смогли определить атомный вес небулия. Измеренное значение 2,74 для линий вблизи 372 нм и немного меньшее значение для линии 500,7 нм указывали на то, что за спектр отвечают два элемента. Ира Спраг Боуэн, работая над ультрафиолетовой спектроскопией и расчетом спектров легких элементов, узнал о зеленых линиях, открытых Хэггинсом. Благодаря этим знаниям он предположил, что зеленые линии могут быть запрещенными переходами. Впоследствии было показано, что они обусловлены двойной ионизацией кислорода при крайне низкой плотности, а не гипотетическим небулием. Как выразился Генри Норрис Рассел, «Небулий исчез в никуда». Туманности обычно чрезвычайно разрежены, гораздо менее плотны, чем самые глубокие вакуумы, создаваемые на Земле. В таких условиях могут возникать линии, подавляемые при нормальной плотности. Эти линии известны как запрещенные линии и являются самыми сильными в большинстве спектров туманностей.

William Hyde Wollaston in 1802 and Joseph von Fraunhofer in 1814 described the dark lines within the solar spectrum. Later, Gustav Kirchhoff explained the lines by atomic absorption or emission, which allowed the lines to be used for the identification of chemical elements. In the early days of telescopic astronomy, the word nebula was used to describe any fuzzy patch of light that did not look like a star. Many of these, such as the Andromeda Nebula, had spectra that looked like stellar spectra, and these turned out to be galaxies. Others, such as the Cat's Eye Nebula, had very different spectra. When William Huggins looked at the Cat's Eye, he found no continuous spectrum like that seen in the Sun, but just a few strong emission lines. The two green lines at 495.9 nm and 500.7 nm were the strongest. These lines did not correspond to any known elements on Earth. The fact that helium had been identified by the emission lines in the Sun in 1868, and had then also been found on Earth in 1895, encouraged astronomers to suggest that the lines were due to a new element. The name nebulium (occasionally nebulum or nephelium) was first mentioned by Margaret Lindsay Huggins in a short communication in 1898, although it is stated that her husband occasionally used the term before. In 1911, John William Nicholson theorized that all known elements consisted of four protoelements, one of which was Nebulium. The development of the periodic table by Dimitri Mendeleev and the determination of the atomic numbers by Henry Moseley in 1913 left nearly no room for a new element. In 1914 French astronomers were able to determine the atomic weight of nebulium. A measured value of 2.74 for the lines near 372 nm and a slightly lower value for the 500.7 nm line seemed to indicate that two elements were responsible for the spectrum. Ira Sprague Bowen was working on UV spectroscopy and on the calculation of spectra of the light elements of the periodic table when he became aware of the green lines discovered by Huggins. With this knowledge he was able to suggest that the green lines might be forbidden transitions. They were shown as due to doubly ionized oxygen at extremely low density, rather than the hypothetical nebulium. As Henry Norris Russell put it, "Nebulium has vanished into thin air." Nebulae are typically extremely rarefied, much less dense than the hardest vacuums produced on Earth. In these conditions, lines can form which are suppressed at normal densities. These lines are known as forbidden lines, and are the strongest lines in most nebular spectra.